Gab es Leben auf dem Mars und anderen Planeten? Vielleicht wissen wir es bald

„Der Heilige Gral der Astrobiologie“ – Neu Maschinelles Lernen Mit dieser Technologie lässt sich zu 90 % feststellen, ob eine Probe biologischen oder nichtbiologischen Ursprungs ist. Genauigkeit.

Wissenschaftler haben einen einfachen, zuverlässigen Test für Anzeichen von vergangenem oder gegenwärtigem Leben auf anderen Planeten entdeckt – den „Heiligen Gral der Astrobiologie“.

In einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenEs handelt sich um ein siebenköpfiges Team, das von der John Templeton Foundation finanziert und von Jim Cleaves und Robert Hazen von der John Templeton Foundation geleitet wird. Carnegie Institution for ScienceBerichten zufolge unterschied ihre KI-basierte Methode mit einer Genauigkeit von bis zu 90 % moderne und antike biologische Proben von solchen nichtbiologischen Ursprungs.

Eine Revolution in der Weltraumforschung und den Geowissenschaften

„Diese routinemäßige Analysemethode hat das Potenzial, die Suche nach außerirdischem Leben zu revolutionieren und unser Verständnis sowohl des Ursprungs als auch der Chemie des frühen Lebens auf der Erde zu vertiefen“, sagt Dr. Hazen. „Es eröffnet den Weg für den Einsatz intelligenter Sensoren in Roboter-Raumfahrzeugen, Landefahrzeugen und Rovern, um nach Lebenszeichen zu suchen, bevor Proben zur Erde zurückkehren.“

Der neue Test könnte unmittelbarer die Geschichte mysteriöser alter Gesteine ​​auf der Erde und möglicherweise auch die Geschichte bereits von Wissenschaftlern gesammelter Proben enthüllen. Mars Das Probenanalyseinstrument von Curiosity auf dem Mars (SAM). Letztere Tests könnten mit einem an Bord befindlichen Analyseinstrument namens SAM (Sample Analysis on Mars) durchgeführt werden.

Dieses vom NASA-Rover Perseverance am 6. August 2021 aufgenommene Bild zeigt das Loch, das in ein Marsgestein gebohrt wurde, als Vorbereitung für den ersten Versuch des Rovers, eine Probe zu sammeln. Dieses Bild wurde von einer der Gefahrenkameras des Rovers an einem Ort aufgenommen, den das Wissenschaftsteam des Rovers als „Pflasterstein“ im Bereich „Crater Floor Fractured Rough“ des Jezero-Kraters bezeichnete. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

„Wir müssen unsere Methode an die SAM-Protokolle anpassen, aber es ist möglich, dass wir bereits über Daten verfügen, um festzustellen, ob es auf dem Mars Moleküle aus der organischen Biosphäre des Mars gibt.“

Wichtige Erkenntnisse aus der neuen Forschung

„Die Suche nach außerirdischem Leben bleibt eines der aufregendsten Unterfangen der modernen Wissenschaft“, sagt Hauptautor Jim Cleaves vom Earth and Planetary Laboratory der Carnegie Institution for Science in Washington, D.C.

„Die Implikationen dieser neuen Forschung sind vielfältig, aber drei Hauptpunkte lassen sich zusammenfassen: Erstens unterscheidet sich die Biochemie auf einer tiefen Ebene von der abiotischen organischen Chemie; zweitens können wir alte Mars- und Erdproben untersuchen, um zu sehen, ob dies der Fall war.“ eines Tages am Leben sein; drittens wird diese neue Methode wahrscheinlich in der Lage sein, zwischen alternativen Biosphären und denen auf der Erde zu unterscheiden, was erhebliche Auswirkungen auf zukünftige astrobiologische Aufgaben haben wird.

Die Rolle künstlicher Intelligenz bei der Unterscheidung zwischen biologischen und nichtbiologischen Proben

Bei der innovativen Analysemethode kommt es nicht allein auf die Identifizierung eines bestimmten Moleküls oder einer Gruppe von Verbindungen in der Probe an.

Stattdessen zeigten die Forscher, dass KI zwischen biologischen und abiotischen Proben unterscheiden kann, indem sie subtile Unterschiede innerhalb der molekularen Muster einer Probe erkennt, wie sie durch Pyrolyse-Gaschromatographie (die die Bestandteile einer Probe trennt und identifiziert) und anschließende Massenspektrometrie (die bestimmt) aufgedeckt werden Molekulargewichte). dieser Komponenten).

Große, mehrdimensionale Daten aus molekularen Analysen von 134 Proben, die reich an abiotischem oder biotischem Kohlenstoff sind, wurden verwendet, um künstliche Intelligenz zu trainieren, um den Ursprung der neuen Probe vorherzusagen. Mit einer Genauigkeit von etwa 90 % identifizierte die KI erfolgreich Proben, die stammten von:

• Lebende Organismen wie moderne Muscheln, Zähne, Knochen, Insekten, Baumblätter, Reis, menschliches Haar und Zellen, konserviert in feinkörnigem Gestein
• Überreste antiken Lebens, die durch geologische Verarbeitung verändert wurden (z. B. Kohle, Öl, Bernstein und kohlenstoffreiche Fossilien) oder
• Proben nichtbiologischen Ursprungs, wie zum Beispiel reine Laborchemikalien (z.B. Aminosäuren) und kohlenstoffreiche Meteoriten.

Die Autoren fügen hinzu, dass es bisher schwierig sei, die Herkunft vieler alter kohlenstoffhaltiger Proben zu bestimmen, da Ansammlungen organischer Moleküle, ob biotisch oder abiotisch, dazu neigen, sich mit der Zeit zu zersetzen.

Überraschenderweise hat die neue Analysemethode trotz erheblichen Verfalls und Wandels biologische Marker aufgedeckt, die teilweise über Hunderte von Millionen Jahren erhalten geblieben sind.

Entschlüsselung der Chemie des Lebens und des Potenzials für zukünftige Entdeckungen

„Wir gingen von der Idee aus, dass sich die Chemie des Lebens grundlegend von der Chemie der unbelebten Welt unterscheidet“, sagt Dr. Hazen. Dass es „chemische Lebensregeln“ gibt, die die Vielfalt und Verteilung von Biomolekülen beeinflussen. Wenn wir diese Regeln ableiten können, können wir sie als Leitfaden für unsere Bemühungen verwenden, die Ursprünge des Lebens zu modellieren oder subtile Lebenszeichen auf anderen Welten zu entdecken.

„Diese Ergebnisse bedeuten, dass wir möglicherweise eine Lebensform von einem anderen Planeten oder einer anderen Biosphäre finden können, auch wenn sie sich stark von dem Leben unterscheidet, das wir auf der Erde kennen. Und wenn wir anderswo Lebenszeichen finden, können wir sie finden.“ herauszufinden, ob Leben auf der Erde und anderen Planeten existiert.“ Andere haben einen gemeinsamen oder unterschiedlichen Ursprung.

Mit anderen Worten: Die Methode sollte in der Lage sein, die Biochemie von Außerirdischen sowie das Leben auf der Erde zu erkennen. Dies ist wichtig, da es relativ einfach ist, molekulare Biomarker für das Leben auf der Erde zu entdecken, wir können jedoch nicht davon ausgehen, dass außerirdisches Leben genutzt wird DNAAminosäuren usw. Unsere Methode sucht nach Mustern in molekularen Verteilungen, die aus dem Bedarf des Lebens an „funktionellen“ Molekülen entstehen.

„Was uns wirklich verblüffte, war, dass wir unser maschinelles Lernmodell darauf trainierten, nur zwei Arten von Proben vorherzusagen – biotisch oder abiotisch –, die Methode jedoch drei verschiedene Gruppen erkannte: abiotisch, biotisch und fossil. Mit anderen Worten: Sie konnte neuere biologische Proben identifizieren.“ als fossile Exemplare.“ Ein Fossil, zum Beispiel ein frisch gepflücktes Blatt oder Gemüse, im Vergleich zu etwas, das vor langer Zeit gestorben ist. Diese überraschende Entdeckung stimmt uns optimistisch, dass andere Merkmale wie photosynthetisches Leben oder Eukaryoten (Zellen mit einem Kern) möglich sein könnten identifiziert.

Die analytischen Fähigkeiten künstlicher Intelligenz bei der Erkennung komplexer Muster

Um die Rolle der KI zu erklären, nutzt Co-Autor Anirudh Prabhu von der Carnegie Institution for Science die Idee, Münzen nach verschiedenen Attributen zu trennen – zum Beispiel Geldwert, Metall, Jahr, Gewicht oder Radius – und geht dann weiter: Finden Sie Kombinationen, die genauere Trennungen und Zusammenbauten ermöglichen. „Und wenn es um Hunderte dieser Attribute geht, sind KI-Algorithmen von unschätzbarem Wert, um Informationen zu sammeln und hochpräzise Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Aus chemischer Sicht beziehen sich die Unterschiede zwischen biologischen und abiotischen Proben auf Dinge wie Wasserlöslichkeit, Molekulargewichte, Flüchtigkeit usw.“, fügt Dr. Cleaves hinzu.

„Die einfache Art und Weise, wie ich darüber nachdenke, ist, dass die Zelle eine Membran und ein Inneres hat, das Zytosol genannt wird; Die Membran ist in Wasser einigermaßen unlöslich, während der Zellinhalt in Wasser einigermaßen löslich ist. Diese Anordnung hält die Membran zusammen und versucht gleichzeitig, den Kontakt ihrer Komponenten mit Wasser zu minimieren und verhindert außerdem, dass „interne Komponenten“ durch die Membran austreten.

„Intrinsische Komponenten können auch wasserlöslich bleiben, obwohl sie sehr große Moleküle wie Chromosomen und Proteine ​​sind“, sagt er.

„Wenn man also eine Zelle oder ein lebendes Gewebe in seine Bestandteile zerlegt, erhält man eine Mischung aus sehr wasserlöslichen und sehr wasserunlöslichen Molekülen, die über ein weites Spektrum verteilt sind. Dinge wie Erdöl und Kohle haben den größten Teil ihres Wassers verloren.“ lösliches Material im Laufe seiner langen Geschichte.

„Biologische Proben können in diesem Spektrum relativ zueinander einzigartige Verteilungen aufweisen, sich aber auch von biologischen Verteilungen unterscheiden.“

3,5 Milliarden Jahre alter Apex Chert aus der Wildnis Westaustraliens. Bildnachweis: Carnegie Laboratory for Earth and Planetary Sciences

Diese Technologie könnte bald eine Reihe wissenschaftlicher Rätsel auf der Erde lösen, darunter den Ursprung der 3,5 Milliarden Jahre alten schwarzen Ablagerungen in Westaustralien – äußerst umstrittene Gesteine, von denen einige Forscher behaupten, dass sie die ältesten fossilen Mikroben der Erde enthalten, während andere behaupten, sie seien leer des Lebens. Zeichen.

Andere Proben alter Gesteine ​​im Norden Kanadas, Südafrikas und Chinas lösen ähnliche Diskussionen aus.

„Wir wenden jetzt unsere Methoden an, um diese seit langem bestehenden Fragen zur Biogenese der organischen Substanz in diesen Gesteinen zu beantworten“, sagt Hazen.

Neue Ideen über die möglichen Beiträge dieses neuen Ansatzes flossen in andere Bereiche wie Biologie, Paläontologie und Archäologie ein.

„Wenn künstliche Intelligenz leicht zwischen biotischem und nicht-biotischem Leben sowie zwischen modernem und antikem Leben unterscheiden kann, welche anderen Erkenntnisse könnten wir dann gewinnen? Könnten wir zum Beispiel wissen, ob eine alte fossile Zelle einen Zellkern hatte oder eine solche Aufgabe erfüllte?“ Prozess Photosynthese?, sagt Dr. Hazen.

„Ist es möglich, verkohlte Überreste zu analysieren und verschiedene Holzarten aus einer archäologischen Stätte zu unterscheiden? Es ist, als würden wir unsere Zehen in das Wasser eines riesigen Ozeans von Möglichkeiten tauchen.“

Referenz: „Robuste, unspezifische, auf maschinellem Lernen basierende molekulare Biosignatur“ von H. James Cleaves, Jericht Hystad, Anirudh Prabhu und Michael L. Wong und George D. Cody, Sophia Economon und Robert M. Hazen, 25. September 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2307149120

Die Studie wurde von der John Templeton Foundation finanziert.